一种面向通用最优控制问题的自动化解算系统

本发明涉及最优控制问题领域，具体涉及一种面向通用最优控制问题的自动化解算系统。

背景技术：

1、最优控制问题作为现代控制理论的活跃分支，在工程领域中得到了广泛的应用，如自动化领域的工业流程优化、汽车工程领域的智能决策以及航空航天领域的飞行器轨迹优化；解算该类问题，有助于提高系统性能，为实际工程问题提供有力的技术支撑。

2、处理不同领域的最优控制问题时，从问题的定义、转化到初始条件的生成、问题缩放，再到问题解算与数据处理，各个环节相互耦合，某一步骤出错都会对最优控制问题的解算效率和精度产生不良影响；每个流程涉及的方法与参数各不相同，相关人员需投入大量时间进行方法的应用和参数的配置，整个过程手动调节极为繁琐且容易出错；目前问题信息的校验方式只能通过阅读底层代码进行检查、更正，这一方式不仅效率低下，还需要相关人员具备一定的交叉领域知识，这无疑增加了校验方式复杂性和可操作性。

3、因此，如何有效地整合优化最优控制问题解算流程，将繁琐易错的手动操作转化为高效且自动化的操作，并提供可视化界面给相关人员用以数据校验和分析，为求解通用最优控制问题提供有力的工具支持，是当前最优控制问题领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向通用最优控制问题的自动化解算系统，用以将最优控制问题涉及到的方法模块化，结合可视化界面配置、校验相关信息；使相关人员无需编写底层代码以及了解各个流程的算法原理，能够利用系统的功能模块自动化完成最优控制问题的配置、解算以及数据分析等操作，为解算最优控制问题提供有力支持。

2、该系统通过四个核心功能模块，即问题定义、参数配置与预处理、问题解算以及最优解展示与保存，对最优控制问题的解算流程进行优化整合；同时，为方便用户实时配置、分析、校验相关信息，整个解算流程都辅以直观易用的交互式界面；在使用过程中，相关人员仅需跟随流程引导，根据不同的应用场景与具体需求，依次完成四个核心功能模块的配置,而其他复杂、技术性强的操作，则由系统内置的算法根据参数配置信息自动化完成；整个过程，研究人员将重点聚焦于问题本身即可，无需过度关注技术细节，极大简化了最优控制问题解算流程，降低了解算方法的使用难度。

3、一种面向通用最优控制问题的自动化解算系统，包括：

4、问题定义模块，用以将用户根据最优控制问题的问题信息编辑脚本范本并导入解算系统。该页面设置了两个脚本栏，供用户传入变、常量信息和函数信息；每个脚本栏集成了四个功能按钮，分别为加载、导入、保存与可视化；加载按钮用于读取解析脚本栏中的脚本，并将解析完成的脚本信息传入解算系统中；解析完成的变、常量信息以字典和数值的方式存储，解析完成的函数则以字典和py文件存储，以便后续功能模块使用；导入按钮支持从本地文件导入脚本文件；保存按钮允许用户将脚本栏中的脚本文件保存至本地；可视化按钮则能将解析完成的脚本信息在交互式页面中以表格形式展示，以供用户校验与修改。

5、解算配置与预处理模块，用于配置相关参数并生成解算必需的初始条件。该模块集成了伪谱法转化、相关性梯度压缩矩阵自动构建、初值生成以及问题缩放四个预处理功能，以确保最优控制问题解算过程能准确且高效的展开。伪谱法转化，允许用户通过页面中的文本框输入配点个数(输入值为正整数)，完成输入后点击转化按钮，解算系统将会自动调用内置算法中的legendre伪谱法转化问题；伪谱法因其良好的收敛特性，配点数越多，其解算精度越高，但相应的增加计算耗时，因此用户可根据不同的应用场景在计算精度与解算效率之间做出权衡，并选择适宜的配点数，以实现工作效率最大化；相关性梯度压缩矩阵自动构建，允许用户点击页面中的构建按钮，系统会根据问题定义模块中的函数信息，自动运行相关性矩阵生成算法，生成对应问题的相关性矩阵并显示在页面中；随后，点击转化按钮，系统将利用伪谱法变量离散关系转化相关性矩阵，这一功能内置于系统中；转化后的相关性矩阵可直接应用于问题解算模块，能够显著减少解算过程中的计算量，提高计算效率，为用户提供高效的使用环境。初值生成，允许用户通过页面中的单选框选择不同的初值生成策略，若单选框为0，系统将会自动计算变量上下界的均值作为解算初值，若单选框为1，系统则会文本栏内用户输入的猜测值上下界进行拉格朗日插值，以获取更为精确和合适的初值。问题缩放，允许用户通过页面中的单选框选择不同的问题缩放策略，若单选框为0，则不使用缩放，保持问题的原始尺度，若单选框为1，则系统自动计算各个变量、函数与梯度信息的缩放因子和偏移量并应用于解算器中，以优化解算过程的稳定性。

6、问题解算模块，利用内置求解器cyipopt求解并通过中间函数表达求解过程中的迭代信息，为减小该过程的梯度信息计算量将辅以相关性梯度压缩矩阵；同时，该模块包含的数据存储功能能够将迭代信息和得到的最优解以文本和csv的方式保存至预定位置，用户可随时查看和分析这些数据；通过该模块，用户可实现问题求解并掌握计算过程中的迭代信息。

7、最优解展示与保存模块负责读取本地csv文件并展示其变化曲线，最优解的展示包含曲线绘制、最优目标函数、计算精度情况以及约束满足情况，曲线绘制通过读取本地csv文件，绘制变量随时间的变化趋势，最优目标函数、计算精度情况以及约束满足情况则通过代入相关函数计算并通过表格显示结果；最优解的保存则是将最优解数据以csv格式保存至本地位置。

技术特征：

1.一种面向通用最优控制问题的自动化解算系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的面向通用最优控制问题的自动化解算系统，其特征在于，所诉问题定义模块具体包括编辑脚本、加载脚本、保存脚本、导入脚本与脚本可视化；其中，

3.根据权利要求1所述的面向通用最优控制问题的自动化解算系统，其特征在于，所述参数配置与预处理模块具体包括伪谱法转化、相关性梯度压缩矩阵自动构建、初值生成以及问题缩放；其中，

4.根据权利要求1所述的面向通用最优控制问题的自动化解算系统，其特征在于，所述问题解算模块具体包括解算非线性规划问题和获取最优连续解，其中，

5.根据权利要求1所述的面向通用最优控制问题的自动化解算系统，其特征在于，所述最优解的展示与保存模块具体包括最优解展示与最优解保存：其中，

技术总结本发明公开了一种面向通用最优控制问题的自动化解算系统，属于最优控制领域，所述系统包括问题定义模块、参数配置与预处理模块、问题解算模块、最优解展示与保存模块。问题定义模块用以将最优控制问题以脚本形式编辑载入解算系统；参数配置与预处理模块用以根据用户配置的参数信息自动化完成伪谱法配置与转化、相关性梯度压缩矩阵自动构建、初值生成以和问题缩放四个预处理步骤；问题解算模块调用内置解算器迭代计算最优解；最优解展示与保存模块用以图表形式展示最优解并将数据保存至本地。该系统实现了问题解算过程的优化与整合，使相关人员无需了解内置算法即可自动化完成问题解算，为最优控制领域提供了一种高效便捷的工具。技术研发人员：黄俊,王垚受保护的技术使用者：西南科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18